Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ BÀI GIẢNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 1 - I. MÁY BIẾN ÁP 1) Khái niệm - Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) và không làm thay đổi tần số của nó. 2) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động a) Cấu tạo (Hình 1) - Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N 1 vòng và cuộn thứ cấp có N 2 vòng. Lõi biến áp gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ thông qua mạch. - Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N 1 > N 2 hoặc ngược lại. - Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện. - Trong thực thế thì máy biến áp có dạng như hình 1, còn trong việc biểu diễn sơ đồ máy biến áp thì có dạng như hình 2 (Hình 2) b) Nguyên tắc hoạt động - Đặt điện áp xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Nó gây ra sự biến thiên từ thông trong hai cuộn. Gọi từ thông này là: Φ = Φ o cos(ωt) Wb. - Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là Φ 1 = N 1 Φ o cos(ωt) và Φ 2 = N 2 Φ o cos(ωt) - Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e 2 có biểu thức ( ) 2 2 o d e N ω sin ωt dt Φ = − = Φ Từ đó ta thấy nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. 3) Khảo sát máy biến áp Gọi N 1 . N 2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi U 1 , U 2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi I 1 , I 2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp. Trong khoảng thời gian ∆t vô cùng nhỏ từ thông biến thiên gây ra trong mỗi vòng dây của cả hai cuộn suất điện động bằng o e t ∆Φ = − ∆ Su ấ t đ i ệ n độ ng trên m ộ t cu ộ n s ơ c ấ p là: e 1 = N 1 e o Su ấ t đ i ệ n độ ng trên cu ộ n th ứ c ấ p: e 2 = N 2 e o Suy ra, t ỉ s ố đ i ệ n áp 2 đầ u cu ộ n th ứ c ấ p b ằ ng t ỉ s ố vòng dây c ủ a 2 cu ộ n t ươ ng ứ ng 2 2 1 1 e N e N = T ỉ s ố e 2 /e 1 không đổ i theo th ờ i gian nên ta có th ể thay b ằ ng giá tr ị hi ệ u d ụ ng ta đượ c 2 2 1 1 E N E N = , (1) Đ i ệ n tr ở thu ầ n c ủ a cu ộ n s ơ c ấ p r ấ t nh ỏ nên U 1 = E 1 , khi m ạ ch th ứ c ấ p h ở nên U 2 = E 2 , (2) T ừ (1) và (2) ta đượ c 2 2 1 1 N U N U = , (*)  N ế u N 2 > N 1 → U 2 > U 1 : g ọ i là máy t ă ng áp.  N ế u N 2 < N 1 → U 2 < U 1 : g ọ i là máy h ạ áp. Vì hao phí ở máy bi ế n áp r ấ t nh ỏ , coi nh ư công su ấ t ở 2 đầ u cu ộ n th ứ c ấ p và s ơ c ấ p nh ư nhau. U 1 U 2 N 2 N 1 Bài giảng 9: M¸y biÕn ¸p, sù truyÒn t¶I ®iÖn n¨ng M¸y biÕn ¸p, sù truyÒn t¶I ®iÖn n¨ngM¸y biÕn ¸p, sù truyÒn t¶I ®iÖn n¨ng M¸y biÕn ¸p, sù truyÒn t¶I ®iÖn n¨ng Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ BÀI GIẢNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 2 - 1 2 1 2 1 1 2 2 2 1 U I P P U I U I U I = ⇔ = → = , (**) Từ (*) và (**) ta có 1 1 2 2 2 1 U N I U N I = = Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy nhiêu lần và ngược lại.   Chú ý: Công thức (*) luôn được áp dụng cho máy biến áp còn công thức (**) chỉ được áp dụng khi hao phí không đáng kể hoặc hai đầu cuộn thứ cấp để hở. II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG Điện năng sản xuất được truyền tải đến nơi tiêu thụ trên đường dây dẫn dài hàng trăm km. Công suất cần truyền tải điện năng P = UIcosφ , (1) Trong đó P là công suất cần truyền đi, U là điện áp tại nơi truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất. Đặt ∆P = I 2 R là công suất hao phí, từ (1) suy ra ( ) 2 2 2 2 P P P R I P I R= R Ucosφ Ucosφ Ucos φ   = →∆ = =     với R là điện trở đường dây. Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là ( )   ∆ = =     2 2 2 P P R P R Ucosφ Ucos φ Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt ∆P để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích. Có hai phương án giảm ∆P:  Phương án 1 : Giảm R. Do R S = ρ ℓ nên để gi ả m R thì c ầ n ph ả i t ă ng ti ế t di ệ n S c ủ a dây d ẫ n. Ph ươ ng án này không kh ả thi do t ố n kém kinh t ế .  Phương án 2 : T ă ng U. B ằ ng cách s ử d ụ ng máy bi ế n áp, t ă ng đ i ệ n áp U tr ướ c khi truy ề n t ả i đ i thì công su ấ t t ỏ a nhi ệ t trên đườ ng dây s ẽ đượ c h ạ n ch ế . Ph ươ ng án này kh ả thi h ơ n vì không t ố n kém, và th ườ ng đượ c s ử d ụ ng trong th ự c t ế .  Chú ý:  Công thức tính điện trở của dây dẫn = ρ ℓ R S . Trong đó ρ ( Ω .m) là điện trở suất của dây dẫn, ℓ là chiều dài dây, S là tiết diện của dây dẫn.  Công suất tỏa nhiệt cũng chính là công suất hao phí trên đường dây, phần công suất hữu ích sử dụng được là 2 ó ích cosφ   = − ∆ = −     c P P P P P R U T ừ đ ó hi ệ u su ấ t c ủ a quá trình truy ề n t ả i đ i ệ n n ă ng là 1 − ∆ ∆ = = = − có ích P P P P H P P P  S ơ đồ truy ề n t ả i đ i ệ n n ă ng t ừ A đế n B : T ạ i A s ử d ụ ng máy t ă ng áp để t ă ng đ i ệ n áp c ầ n truy ề n đ i. Đế n B s ử d ụ ng máy h ạ áp để làm gi ả m đ i ệ n áp xu ố ng phù h ợ p v ớ i n ơ i c ầ n s ử d ụ ng (th ườ ng là 220V). khi đ ó độ gi ả m đ i ệ n áp : ∆ U = IR = U 2A – U 1B , v ớ i U 2A là đ i ệ n áp hi ệ u d ụ ng ở cu ộ n th ứ c ấ p c ủ a máy t ă ng áp t ạ i A, còn U 1B là đ i ệ n áp ở đầ u vào cu ộ n s ơ c ấ p c ủ a máy bi ế n áp t ạ i B.  Quãng đườ ng truy ề n t ả i đ i ệ n n ă ng đ i xa so v ớ i ngu ồ n m ộ t kho ả ng là d thì chi ề u dài dây là ℓ = 2d. III. CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH Ví dụ 1: (Trích Đề thi Tuyển sinh Đại học 2010) Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của một máy biến áp lí tưởng (bỏ qua hao phí) một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 100 V. Ở cuộn thứ cấp, nếu giảm bớt n vòng dây thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của nó là U, nếu tăng thêm n vòng dây thì điện áp đó là 2U. Nếu tăng thêm 3n vòng dây ở cuộn thứ cấp thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của cuộn này bằng A. 100 V. B. 200 V. C. 220 V. D. 110 V. H ướ ng d ẫ n gi ả i: Gọi U 1 , N 1 là điện áp và số vòng dây trên cuộn sơ cấp của máy biến áp, theo bài thì U 1 , N 1 không đổi. Gọi U 1 , N 1 là điện áp và số vòng dây trên cuộn thứ cấp. Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ BÀI GIẢNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 3 - Do máy biến áp lý tưởng nên ta có hệ thức 1 1 2 2 1 2 2 1 U N N U U U N N = → = , ban đầu 2 2 1 1 N U U 100V. N = = Khi giảm n vòng dây cho cuộn thứ cấp và tăng n vòng dây thì ta có điện áp trên hai đầu cuộn thứ cấp lần lượt là 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 1 N n U U U N N n 1 N 3n N n N n 2 U U 2U N −  = =  −  → = ←→ =  + +  = =   Khi t ă ng thêm 3n vòng dây thì ta có 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 N 3n N N N U U U 2 U 200V. N N N + + = = = = V ậ y sau khi t ă ng thêm 3n vòng cho cu ộ n th ứ c ấ p thì đ i ệ n áp hai đầ u cu ộ n th ứ c ấ p là 200 V. Ví dụ 2: Một máy biến áp có tỉ số vòng dây = 1 2 N 5 N , hiệu suất 96% %% % nhận một công suất 10 kW ở cuộn sơ cấp và hiệu thế ở hai đầu sơ cấp là 1 kV, hệ số công suất của mạch thứ cấp là 0,8. Tính giá trị cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. Hướng dẫn giải: G ọ i P 1 là công su ấ t c ủ a cu ộ n s ơ c ấ p, P 2 là công su ấ t ở cu ộ n th ứ c ấ p c ủ a máy bi ế n áp. Theo bài ta có 2 2 1 1 P 0,96 P 0,96P 0,96.10 9,6 kW 9600W. P = → = = = = Do v ớ i máy bi ế n áp ta luôn có 1 1 1 2 2 2 N U U 1000 5 U 200V. N U 5 5 = = → = = = T ừ đ ó 2 2 2 2 2 2 P 9600 P U I cos φ I 60A. U cos φ 200.0,8 = → = = = V ậ y c ườ ng độ dòng đ i ệ n ch ạ y trong cu ộ n th ứ c ấ p c ủ a máy bi ế n áp là 60 A. Ví dụ 3: Điện năng ở một trạm phát điện được truyền đi dưới điện áp 2 kV, hiệu suất trong quá trình truyền tải là H = 80%. Muốn hiệu suất trong quá trình truyền tải tăng đến 95% thì ta phải A. tăng điện áp lên đến 4 kV. B. tăng điện áp lên đến 8 kV. C. giảm điện áp xuống còn 1 kV. D. giảm điện xuống còn 0,5 kV. Hướng dẫn giải:  Khi H = 80% thì công su ấ t hao phí là 20%  Khi H = 95% thì công su ấ t hao phí là 5% T ừ đ ó ta th ấ y, để ∆ P gi ả m 4 l ầ n thì c ầ n ph ả i t ă ng U hai l ầ n, t ứ c là U = 4 kV. Ví dụ 4: Người ta cần tải 1 công suất 5 MW từ nhà máy điện đến một nơi tiêu thụ cách nhau 5 km. Hiệu điện thế cuộn thứ cấp máy tăng thế là U = 100 kV, độ giảm thế trên đường dây không quá 1% U. Điện trở suất các dây tải là 1,7. 10 –8 m. Tiết diện dây dẫn phải thỏa điều kiện nào? Hướng dẫn giải: Ta có d = 5 km ⇒ ℓ = 10 km = 10000 m. Độ gi ả m đ i ệ n th ế 1 1000 U IR U 1kV 1000V R 100 I ∆ = ≤ = = → ≤ Mà 6 3 P 5.10 1000 ρ P UI I 50A R 20 ρ 20 S U 100.10 50 S 20 = → = = = → ≤ = Ω ⇔ ≤ ⇔ ≥ ℓ ℓ Thay s ố ta đượ c 8 6 2 2 2 1,7.10 .10000 S 8,5.10 m 8,5mm S 8,5mm 20 − − ≥ = = → ≥ Ví dụ 5: Người ta cần truyền một công suất điện một pha 10000 kW dưới một hiệu điện thế hiệu dụng 50 kV đi xa. Mạch điện có hệ số công suất cosφ = 0,8. Muốn cho tỷ lệ năng lượng mất trên đường dây không quá 10% thì điện trở của đường dây phải có giá trị như thế nào? Hướng dẫn giải: Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ BÀI GIẢNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 4 - Công suất hao phí khi truyền là ( ) 2 2 2 P P R P R Ucosφ Ucos φ   ∆ = =     Theo bài thì ( ) ( ) 2 2 2 0,1. Ucos φ P R P 10%P P 0,1P 0,1P R P Ucosφ ∆ ≤ ⇔ ∆ ≤ ⇔ ≤ ⇔ ≤ Thay số ta được ( ) 2 3 3 0,1. 50.10 .0,8 R 16 Ω R 16Ω. 10000.10 ≤ = → ≤ Giáo viên : Đặng Việt Hùng Nguồn : Hocmai.vn . trở su t của dây dẫn, ℓ là chiều dài dây, S là tiết diện của dây dẫn.  Công su t tỏa nhiệt cũng chính là công su t hao phí trên đường dây, phần công su t. điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công su t. Đặt ∆P = I 2 R là công su t hao phí, từ (1) suy ra ( ) 2 2 2 2 P P P R I P I R= R Ucosφ Ucosφ Ucos φ 